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钛合金加工难度大，传统化学机械抛光（CMP）后表面粗糙度（Sa）高、材料去除率（MRR）低。研究人员开展新型光催化 CMP（PCMP）研究，制备新型复合磨料。结果使钛合金 Sa 达 0.286nm，MRR 达 20.58μm/h，为钛合金表面处理提供新思路。
在材料加工的舞台上，钛合金凭借着高机械强度、出色的疲劳抗性和良好的抗氧化能力，在航空航天、汽车制造以及医疗领域大放异彩。就像在航空航天领域，它是燃气轮机的关键组成部分；在医疗界，它作为人体植入物的重要材料，发挥着关键作用。然而，钛合金也有着自己的 “小脾气”，它是出了名的难加工材料。在加工过程中，容易出现加工硬化现象，就好比原本柔软可塑的面团，在不断揉搓下变得又硬又难处理。而且它还特别容易产生应力集中和微裂纹，这对于像燃气轮机部件和人体植入物这类对表面质量要求极高的应用来说，无疑是巨大的隐患。表面的缺陷会像一颗定时炸弹，随时可能引发部件失效，或者降低人体植入物的生物相容性，加速其磨损。
为了解决这些棘手的问题，传统的化学机械抛光（CMP）技术被应用到钛合金加工中。但 CMP 也面临着诸多挑战，在过去的研究里，通过调节 pH 值和 H?O?含量，虽然能在小面积（100×100μm2）内将钛合金表面粗糙度（Sa）降低到 0.9nm，可材料去除率（MRR）仅有 4.68μm/h；添加 K?能提高 MRR 到 16.20μm/h，然而 Sa 却飙升到约 3.4nm 。就算利用 EDTA - 2Na 和 H?O?的协同效应进行镜面抛光，在 1.25wt% H?O?时，MRR 达到 4.98μm/h，表面粗糙度仍有 1.9nm。还有研究用含有 SiO?、H?O?和 H?MA 的浆料进行抛光，能把 Sa 降低到 0.68nm，MRR 达到 16.68μm/h，可测试面积却只有 70×50μm2 。在较大测量面积下，情况更不理想，用添加 H?PO?的硅溶胶浆料抛光 490×490μm2 的钛合金，Sa 高达 8.6nm，MRR 仅 6.42μm/h。不仅如此，传统 CMP 使用的化学氧化剂，像 H?O?和 H?PO?，还会对环境造成不良影响。
面对这些困境，国内的研究人员挺身而出，开展了一项关于新型光催化化学机械抛光（PCMP）的研究。他们制备了新型的 SiO?@Al?O?@CeO?复合磨料，这种磨料有着独特的多层核壳结构。研究结果令人惊喜，经过 PCMP 处理后，在 868×868μm2 的大测量面积下，钛合金的 Sa 达到了 0.286nm，MRR 高达 20.58μm/h，损伤层厚度仅 2.03nm。这一成果为获取钛合金近原子级光滑表面提供了新的方向，对推动钛合金在高端领域的应用意义重大，该研究成果发表在《Applied Surface Science》上。
研究人员开展研究时，用到了几个关键技术方法。首先是材料制备技术，制备出具有多层核壳结构的 m - SiO?@Al?O?@CeO?复合磨料。其次是微观结构分析技术，利用扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）对磨料的表面形貌进行分析。另外，通过 N?吸附 - 脱附测试来研究磨料的孔结构特征。
下面来看具体的研究结果：
- 磨料的形貌和结构特征：制备的 m - SiO?粒径均匀，约 90 - 100nm，具有介孔结构，其 N?吸附 - 脱附曲线呈现 IV 型等温线和 H2 型滞后回线，孔径分布集中在 4.72nm 左右。Al?O?和 CeO?壳层的形成增加了磨料的粗糙度。
- 光催化化学机械抛光效果：在 PCMP 处理钛合金后，表面粗糙度（Sa）达到 0.286nm，材料去除率（MRR）为 20.58μm/h，测量面积为 868×868μm2。通过透射电子光谱（TEM）检测发现，损伤层厚度为 2.03nm。
- 光催化反应原理：由于 CeO?的光生空穴不会转移到 Al?O?（Al?O?价带为 2.79eV，低于 CeO?的 3.13eV），Al?O?将光生电子和空穴分离，进而形成羟基自由基，对钛合金表面进行氧化。
综合研究结论和讨论部分，这项研究成功制备了 m - SiO?@Al?O?@CeO?多层核壳磨料，并将其应用于钛合金的光催化化学机械抛光，取得了优异的成果。这种磨料结构稳定，各层之间通过化学键紧密相连。PCMP 技术不仅实现了钛合金表面低粗糙度和高材料去除率的双重目标，还减少了传统化学试剂的使用，降低了对环境的影响。这一研究成果为钛合金的精密加工开辟了新途径，有望在航空航天、医疗等领域推动相关技术的革新，提升钛合金材料的应用性能，具有重要的理论意义和实际应用价值。
